EP1863166A1 - Zwei-Wellen-Triebwerk für Flugzeuge mit hohem Bedarf an elektrischer Leistung - Google Patents

Zwei-Wellen-Triebwerk für Flugzeuge mit hohem Bedarf an elektrischer Leistung Download PDF

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EP1863166A1
EP1863166A1 EP07107784A EP07107784A EP1863166A1 EP 1863166 A1 EP1863166 A1 EP 1863166A1 EP 07107784 A EP07107784 A EP 07107784A EP 07107784 A EP07107784 A EP 07107784A EP 1863166 A1 EP1863166 A1 EP 1863166A1
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/40—Transmission of power
    • F05D2260/404—Transmission of power through magnetic drive coupling

Definitions

  • the invention relates to two-shaft engines for aircraft with high electrical power requirements, comprising a high pressure shaft connected to generators and a low pressure shaft and an electronic engine control.
  • the invention has the object of providing a two-shaft engine with high electrical power requirement form so that even when operating the aircraft at idle engine (low speeds), the required high electrical power can be provided.
  • the basic idea of the invention is to utilize the power of the low-pressure shaft to generate electrical energy by means of gearless power transmission from the low-pressure shaft to the high-pressure shaft. As a result, it is possible to dispense with the complex arrangement of a plurality of transmissions required for direct energy generation with the low-pressure shaft rotating in a wide speed range.
  • the power is transmitted from the operated in a lower speed range than the high pressure shaft low pressure wave with the help of an electromagnetic clutch whose low-pressure shaft side coupling part for generating a frequency controllable rotating field with power electronics (engine control) is connected to the performance of lower speed than the high pressure shaft rotating low pressure shaft yet to be able to transfer to the high pressure shaft.
  • an electromagnetic clutch whose low-pressure shaft side coupling part for generating a frequency controllable rotating field with power electronics (engine control) is connected to the performance of lower speed than the high pressure shaft rotating low pressure shaft yet to be able to transfer to the high pressure shaft.
  • the coupling part on the side of the low-pressure shaft is a coil ring with a plurality of individual, ring-shaped coil sections, which are switched by the power electronics (engine control) - respectively opposite one another and with a certain frequency - so as to produce a frequency controllable rotating field in the a magnet attached to the high pressure shaft side engages.
  • a braking device is provided on the low-pressure shaft side to fix the respective coupling part in a non-rotatable position and so when starting the engine with the help of the rotating field, the high-pressure shaft can start up without additional aggregates.
  • the two-shaft engine shown in greatly simplified form in FIG. 1 comprises as essential components a fan 1, a high-pressure compressor 2, a combustion chamber 3, a high-pressure turbine 4 and a low-pressure turbine 5, as well as a high-pressure shaft 6 designed as a hollow shaft and a low-pressure shaft passed through it 7.
  • the low-pressure shaft 7 connected to the low-pressure turbine 5 and driven by it is connected to the fan 1 at the engine inlet, while the high-pressure shaft 6 driven by the high-pressure turbine 4 is connected to the high-pressure compressor 2.
  • the high-pressure shaft 6 is connected via a transmission 8 with two generators 9 for providing the electrical energy required for the operation of the aircraft.
  • the low-pressure shaft 7 is coupled to the high-pressure shaft 6 for non-contact torque transmission by means of an electromagnetic clutch 10 via a low-pressure shaft gear 11 and a high-pressure shaft gear 12.
  • the electromagnetic clutch 10 comprises a magnet 13 provided on the high-pressure shaft side and a coil ring 14 provided on the low-pressure shaft side The connection of the coil sections 15 and the frequency of the rotating field 17 generated by these is controlled by the power electronics of the engine (engine control).
  • FIG. 1 brake device 16 (locking device), with which the low pressure shaft 7 and the coil ring 14 is locked for the starting process of the engine to the high pressure shaft 6 with to accelerate the rotating field 17 generated by the now fixed coil sections 15 to a speed at which they can further accelerate independently. Only then is the brake device 16 released, thus releasing the movement of the low-pressure shaft 7 and the coupling part 14 on the low-pressure shaft side.
  • the drive of the high-pressure shaft 6 for the starting process is thus advantageous - without an external drive from the outside - with the help of the magnetic clutch 10 at a fixed low-pressure shaft 7 or fixed coupling part (coil ring 14).

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Abstract

Bei einem Triebwerk für Flugzeuge mit hohem Bedarf an elektrischer Energie wird die Leistung der in einem niedrigeren Drehzahlbereich drehenden Niederdruckwelle (7) mit Hilfe einer elektromagnetischen Kupplung (10) auf die Hochdruckwelle (6) übertragen. In dem Kupplungsteil (14) auf der Seite der Niederdruckwelle wird ein in der Frequenz steuerbares magnetisches Drehfeld erzeugt, in das ein mit der Hochdruckwelle verbundener Magnet (13) eingreift.

Description

  • Die Erfindung betrifft Zwei-Wellen-Triebwerke für Flugzeuge mit hohem Bedarf an elektrischer Leistung, das eine mit Generatoren verbundene Hochdruckwelle und eine Niederdruckwelle sowie eine elektronische Triebwerkssteuerung umfasst.
  • Der Bedarf an elektrischer Leistung von Flugzeugen ist durch die Umstellung vieler Systeme auf elektrischen Betrieb in ständigem Steigen begriffen. Bei mit Zwei-Wellen-Triebwerken ausgerüsteten Flugzeugen mit hohem elektrischem Leistungsbedarf (Mehr-Elektrik-Anwendung) ist die Leistungsreserve der Hochdruckwelle im Leerlauf des Triebwerks (geringe Drehzahlen) jedoch nicht hoch genug, um den erhöhten Leistungsforderungen des Flugzeugs gerecht zu werden. Die zur Erzeugung der erforderlichen zusätzlichen elektrischen Leistung daher naheliegende Nutzung der Niederdruckwelle des Triebwerks, die selbst im Leerlauf über hohe Leistungsreserven verfügt, durch Leistungsübertragung von dieser Welle auf die Hochdruckwelle bzw. Generatoren bereitet aber insofern Schwierigkeiten, weil das Verhältnis der höchsten Drehzahl zur niedrigsten Drehzahl der Niederdruckwelle viel größer ist als das entsprechende Drehzahlverhältnis der Hochdruckwelle bzw. der Generatoren. Eine Leistungsübertragung von der Niederdruckwelle zu den Generatoren durch ein mechanisches Getriebe erfordert daher ein mehrfaches Schaltungssystem, was konstruktiv und schaltungsseitig aufwendig ist und insbesondere ein hohes zusätzliches Gewicht zur Folge hat und dessen Zuverlässigkeit wegen den erforderlichen mehrfachen Schaltungen nicht gewährleistet ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zwei-Wellen-Triebwerk mit hohem elektrischem Leistungsbedarf so auszubilden, dass auch beim Betrieb des Flugzeugs bei Leerlauf des Triebwerks (geringe Drehzahlen) die erforderliche hohe elektrische Leistung zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Zwei-Wellen-Triebwerk mit einer Anordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der Nutzung der Leistung der Niederdruckwelle zur Erzeugung elektrischer Energie durch getriebelose Leistungsübertragung von der Niederdruckwelle auf die Hochdruckwelle. Dadurch kann auf die bei der unmittelbaren Energieerzeugung mit der in einem weiten Drehzahlbereich drehenden Niederdruckwelle erforderliche aufwendige Anordnung mehrerer Getriebe verzichtet werden.
  • Gemäß einem weiteren wichtigen Erfindungsmerkmal erfolgt die Leistungsübertragung von der in einem niedrigeren Drehzahlbereich als die Hochdruckwelle betriebenen Niederdruckwelle mit Hilfe einer elektromagnetischen Kupplung, deren niederdruckwellenseitiges Kupplungsteil zur Erzeugung eines in der Frequenz steuerbaren Drehfeldes mit einer Leistungselektronik (Triebwerkssteuerung) verbunden ist, um die Leistung der mit geringerer Drehzahl als die Hochdruckwelle drehenden Niederdruckwelle dennoch auf die Hochdruckwelle übertragen zu können.
  • Das Kupplungsteil auf der Seite der Niederdruckwelle ist ein Spulenring mit mehreren einzelnen, ringförmig angeordneten Spulenabschnitten, die von der Leistungselektronik (Triebwerkssteuerung) - jeweils gegenüberliegend nacheinander und mit bestimmter Frequenz - zugeschaltet werden, um so ein in der Frequenz steuerbares Drehfeld zu erzeugen, in das ein an der Hochdruckwellenseite angebrachter Magnet eingreift.
  • Gemäß einem noch anderen wichtigen Merkmal der Erfindung ist auf der Niederdruckwellenseite eine Bremsvorrichtung vorgesehen, um das betreffende Kupplungsteil in einer nicht verdrehbaren Position zu fixieren und so beim Starten des Triebwerks mit Hilfe des Drehfeldes die Hochdruckwelle ohne zusätzliche Aggregate hochfahren zu können.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines Zwei-Wellen-Triebwerks mit zwei mit der Hochdruckwelle verbundenen Generatoren und einer elektromagnetischen Kupplung zur Verbindung der Niederdruckwelle mit der Hochdruckwelle;
    Fig. 2
    eine seitliche Schnittansicht der elektromagnetischen Kupplung in vergrößerter Darstellung; und
    Fig. 3
    eine Schnittansicht der elektromagnetischen Kupplung längs der Linie AA in Fig. 2.
  • Das in Fig. 1 stark vereinfacht dargestellte Zwei-Wellen-Triebwerk umfasst als wesentliche Bestandteile einen Fan 1, einen Hochdruckverdichter 2, eine Brennkammer 3, eine Hochdruckturbine 4 und eine Niederdruckturbine 5, sowie eine als Hohlwelle ausgeführte Hochdruckwelle 6 und eine durch diese hindurchgeführte Niederdruckwelle 7. Die mit der Niederdruckturbine 5 verbundene und von dieser angetriebene Niederdruckwelle 7 ist am Triebwerkseingang an den Fan 1 angeschlossen, während die von der Hochdruckturbine 4 angetriebene Hochdruckwelle 6 mit dem Hochdruckverdichter 2 verbunden ist. Die Hochdruckwelle 6 ist über ein Getriebe 8 mit zwei Generatoren 9 zur Bereitstellung der für den Betrieb des Flugzeugs erforderlichen elektrischen Energie verbunden.
  • Die Niederdruckwelle 7 ist zur berührungslosen Drehmomentübertragung mittels einer elektromagnetischen Kupplung 10 an die Hochdruckwelle 6 gekoppelt, und zwar über ein Niederdruckwellengetriebe 11 und ein Hochdruckwellengetriebe 12. Die elektromagnetische Kupplung 10 umfasst einen auf der Hochdruckwellenseite vorgesehenen Magneten 13 und einen auf der Niederdruckwellenseite vorgesehenen Spulenring 14 mit einer Mehrzahl von Spulenabschnitten 15. Die Zuschaltung der Spulenabschnitte 15 bzw. die Frequenz des von diesen erzeugten Drehfeldes 17 wird über die Leistungselektronik des Triebwerks (Triebwerkssteuerung) gesteuert.
  • Unabhängig von der jeweiligen Drehzahl der Hochdruckwelle 6 und der Niederdruckwelle 7 bzw. der beiden Kupplungsseiten kann durch das mittels der Leistungselektronik bewirkte und in der Frequenz gesteuerte Drehfeld des Spulenrings 14 der elektromagnetischen Kupplung 10 Leistung in dem gewünschten Umfang, das heißt steuerbar, von der Niederdruckwelle 7 auf die Hochdruckwelle 6 übertragen werden. Somit kann von der sich in einem weiten, aber niedrigeren Drehzahlbereich als die Hochdruckwelle 6 drehenden Niederdruckwelle 7 Leistung auf die Hochdruckwelle 6 übertragen werden, die somit bei Flugzeugen mit einem erhöhten Bedarf an elektrischer Energie ("Mehr-Elektrik-Anwendung") auch im Triebwerksleerlauf in der Lage ist, die erforderliche Energie für das Flugzeug zu liefern. Das heißt, dass die unterschiedlichen Drehzahlverhältnisse zwischen der Hoch- und der Niederdruckwelle mit der durch die Leistungselektronik des Triebwerks gesteuerten - beliebig einstellbaren - Drehfeldfrequenz der elektromagnetischen Kupplung 10 ausgeglichen werden können, so dass es möglich ist, die Leistung der Niederdruckwelle 7 durch Drehmomentübertragung auf die Hochdruckwelle 6 zur Erzeugung elektrischer Leistung zu nutzen.
  • Ein wesentliches Merkmal der Kopplung zwischen der Niederdruckwelle 7 und der Hochdruckwelle 6 ist die in Fig. 1 schematisch dargestellte Bremsvorrichtung 16 (Arretiervorrichtung), mit der die Niederdruckwelle 7 bzw. der Spulenring 14 für den Startvorgang des Triebwerks arretiert wird, um die Hochdruckwelle 6 mit dem von den jetzt feststehenden Spulenabschnitten 15 erzeugten Drehfeld 17 bis auf eine Drehzahl zu beschleunigen, bei der sie eigenständig weiterbeschleunigen kann. Erst dann wird die Bremsvorrichtung 16 gelöst und damit die Bewegung der Niederdruckwelle 7 und des Kupplungsteils 14auf der Niederdruckwellenseite freigegeben. Der Antrieb der Hochdruckwelle 6 für den Startvorgang erfolgt vorteilhaft somit - ohne einen Fremdantrieb von außen - mit Hilfe der magnetischen Kupplung 10 bei feststehender Niederdruckwelle 7 bzw. feststehenden Kupplungsteil (Spulenring 14).
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Fan
    2
    Hochdruckverdichter
    3
    Brennkammer
    4
    Hochdruckturbine
    5
    Niederdruckturbine
    6
    Hochdruckwelle
    7
    Niederdruckwelle
    8
    Getriebe
    9
    Generator
    10
    Elektromagnetische Kupplung
    11
    Niederdruckwellengetriebe
    12
    Hochdruckwellengetriebe
    13
    Magnet
    14
    Spulenring
    15
    Spulenabschnitte
    16
    Bremsvorrichtung
    17
    Drehfeld

Claims (4)

  1. Zwei-Wellen-Triebwerk für Flugzeuge mit hohem Bedarf an elektrischer Leistung, das eine mit Generatoren (9) verbundene, von einer Hochdruckturbine (4) angetriebene Hochdruckwelle (6) und eine von einer Niederdruckturbine (5) angetriebene Niederdruckwelle (7) sowie eine elektronische Triebwerkssteuerung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckwelle (7) zur Leistungsübertragung auf die Hochdruckwelle (6) über eine an die Triebwerkssteuerung angeschlossene elektromagnetische Kupplung (10) mit auf der Seite der Niederdruckwelle (7) durch die Triebwerkssteuerung bewirktem und in der Drehfrequenz regelbarem magnetischem Drehfeld (17) an die Hochdruckwelle (6) gekoppelt ist.
  2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Kupplung einen mit der Niederdruckwelle (7) verbundenen Spulenring (14) aus mehreren, von der Triebwerkssteuerung zur Regelung der Drehfeldfrequenz angesteuerten, ringförmig angeordneten Spulenabschnitten (15) und einen mit der Hochdruckwelle (6) verbundenen, in das Drehfeld des Spulenringes (14) eingreifenden Magneten (13) umfasst.
  3. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Seiten der elektromagnetischen Kupplung jeweils über ein Getriebe (11, 12) an die Niederdruckwelle (7) und an die Hochdruckwelle (6) gekoppelt sind.
  4. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Niederdruckwellenseite der elektromagnetischen Kupplung eine Bremsvorrichtung zum Halten des mit der Niederdruckwelle (7) verbundenen Kupplungsteils (14) in einer nicht verdrehbaren Lage angeordnet ist, um die Hochdruckwelle (6) beim Starten des Triebwerks mit Hilfe des Drehfeldes (17) zu beschleunigen.
EP07107784A 2006-06-02 2007-05-09 Zwei-Wellen-Triebwerk für Flugzeuge mit hohem Bedarf an elektrischer Leistung Ceased EP1863166B1 (de)

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